آیا روش‌های تولید برق بی‌پایان است؟

از زمان یونانیان باستان، بشر می‌دانست که اگر دو چیز را به هم تماس دهد، مقدار کمی الکتریسیته ایجاد می‌شود. یک مثال این است که می‌توانیم یک بادکنک را با موهایمان بمالیم و انرژی الکتریکی کافی برای چسباندن آن به سقف تولید کنیم.

به گزارش تکناک، همین اصل برای تحقیق جدید که در مجله Small منتشر شده است، اعمال شده است، که چگونگی تولید انرژی الکتریکی بهینه بین لایه‌های فیبر بسیار ریز در مواد را کشف کرد.

هر یک از این الیاف ریز حدود 100 برابر نازکتر از موی انسان است. آنها از پلیمرهایی تشکیل شده اند که زنجیره تکراری واحدهای مشابه هستند. در این مورد، ما از پلیمرهای اتیلن-وینیل استات و پلی لاکتیک اسید ، استفاده کردیم.

ما این دو نوع مختلف الیاف را به روشی کاملاً خاص به صورت لایه‌ای درآوردیم تا ورقه بسازیم. این ورقه‌ها از لایه‌های میکروسکوپی زیادی ساخته شده‌اند و هر ورقه از ده‌ها هزار الیاف تشکیل شده است.

هر جا که در اطراف لایه های الیاف حرکتی وجود داشته باشد، الکتریسیته از اصطکاک بین هر لایه تولید می شود.

ما اندازه و بافت این لایه‌های فیبر را تغییر دادیم و آنها را به روش‌های خاص قرار دادیم تا اصطکاک و برق‌رسانی تماس را بهینه کنیم و در نهایت حداکثر شارژ را ایجاد کنیم.

تحقیقات ما نشان داد که با استفاده از این ترتیب، می‌توانیم حدود 400 برابر بیشتر از آنچه قبلاً ممکن بود از این مواد، الکتریسیته با استفاده از حرکت تولید کنیم. از آنجایی که همیشه می‌توانیم خطوط اتصال بیشتری را با استفاده از الیاف نازک‌تر ایجاد کنیم، این نوع تولید انرژی بسیار مقیاس‌پذیر است.

در جایی که جابجایی زیادی است این روش کاربردهای بالقوه هیجان انگیزی دارد اما اکنون فقط در مقیاس بسیار کوچک آزمایش شده است. به عنوان مثال، استفاده از حرکت انسان برای تامین انرژی یک ساعت هوشمند یا شارژ مجدد یک دستگاه قابل کاشت مانند دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب.

در زمینه بیوپزشکی، این پتانسیل وجود دارد که انرژی حاصل از جریان خون در شاهرگ یا ورید را دریافت کند تا پمپ انسولین برای مدت طولانی‌تری به کار خود ادامه دهد.

این قابلیت در زمینه حسگر ها نیز بسیار قدرتمند است، به ویژه اگر نیاز به اندازه‌گیری ارتعاشات بسیار کوچک از محیط باشد، مانند نظارت بر فعالیت‌های لرزه‌ای جزئی یا تغییرات در جریان آب، یا نیرو دادن به حسگرها در مکان‌های دور افتاده که امکان تابش آفتاب وجود ندارد.

در این سناریوها، نمی توانید از سلول های خورشیدی استفاده کنید یا به راحتی باتری را تعویض کنید. توانایی جمع آوری انرژی تنها از طریق ارتعاشات زمین برای حفظ اینترنت و سایر زیرساخت های حیاتی، از پتانسیل قابل توجه این فناوری است.

ساخت ورقه ها

این تحقیق با همکاری پروفسور آندریس سوتکا در دانشگاه فنی ریگا در لتونی و با استفاده از فرآیندی به نام الکتروریسی برای ایجاد الیاف پلیمری انجام شد. با تنظیم ابزار الکتروریسی، ما توانستیم پلیمری را که ریسندگی می کنیم و ضخامت آن را تنظیم کنیم.

یکی از چالش‌های این تحقیق، مرتب سازی و کنترل نحوه تعامل لایه‌های پلیمری با یکدیگر بود. کنترل نحوه ارتعاش هر فیبر در رابطه با فیبر دیگر بسیار دشوار است و اگر مرتب سازی را اشتباه انجام دهید، برق تولید شده از بین می رود.

چالش دیگر این است که پلیمرها بسیار نرم هستند و می توانند به راحتی تغییر شکل دهند. بنابراین، هنگامی که سعی می کنیم برای ارزیابی ساختار به داخل مواد نگاه کنیم، ممکن است ذوب یا شکسته شوند. این امر تعیین مشخصات مواد را دشوار و فرآیند ایجاد این لایه های میکروسکوپی پلیمری را بسیار کند میکند.

یک راه حل مدرن برای یک مشکل باستانی

با وجود این چالش ها، ما از اولین درک یونانیان باستان از بار الکتریکی، راه بسیار زیادی را پیموده ایم.

تحقیقات ما در سه سال گذشته به بررسی پلاستیک ها  و چگونگی کنترل شیمی برای افزایش تاثیر گذاری بار الکتریکی پرداخته است.

این نقطه اوج برای یک درک جدید از چگونگی شارژ شدن پلاستیک ها است که توسط فیزیک کوانتومی در دهه 1900 میسر شد و هم اکنون با توسعه ابزار دقیق این امکان فراهم شده که دقیقاً آنچه را که در حال وقوع است را تشخیص دهیم. زیرا برای این کار باید جریان‌های بسیار کوچک را در فواصل زمانی بسیار دقیق اندازه‌گیری کنیم.

ما اکنون در حال بررسی راه های مختلفی هستیم که بتوانیم از انرژی تولید شده استفاده کنیم. این مطالعه 400 برابر بیشتر از گذشته انرژی تولید کرد. با این حال، هنوز مقدار نسبتا کمی است، بنابراین کاربردهای آن در مقایسه با سلول خورشیدی یا انواع دیگر تولید انرژی الکتریکی انبوه متفاوت خواهد بود.

در حال حاضر ما فقط دو نوع پلاستیک را بررسی کرده‌ایم، اما صدها نوع پلاستیک دیگر وجود دارد که به ما امکان می‌دهند حتی انرژی بیشتری تولید کنیم.

این احتمال وجود دارد که انرژی تولید شده در منبع خود استفاده شود، بنابراین هیچ حالت از دست رفتنی برای این انرژی کوچک اما گرانبها در فرآیند انتقال وجود ندارد. همچنین کاربردهای بالقوه ای در برداشت انرژی صوتی جایی که شما انرژی را از صحبت کردن و ارتعاش مردم دریافت می کنید وجود دارد.

اکنون که می‌دانیم می‌توانیم از این الیاف استفاده کنیم و برای تولید الکتریسیته آنها را مرتب کنیم، ما می‌توانیم آن ها را به اشکال مختلف مانند پوشش توخالی برای داخل لوله، و سایر اشکال فرم دهیم و شروع به مهندسی آن برای حل مشکلات مختلف کنیم. به عنوان مثال، اگر به پوشش لوله ها یا ستون های ساختمانی برای مهار انرژی زیرساخت نگاه کنیم، این روش ممکن است کاربرد داشته باشد.

پتانسیل دگرگون‌کننده این کشف هیجان‌انگیز است، اما چند سال دیگر در مورد چگونگی استفاده از انرژی از حرکات کوچک برای تقویت پیشرفت‌های بزرگ بیشتر می‌آموزیم.